자유전자에 대해 알아보자.

1. 자유전자의 발견 전자는 소립자 중에서 가장 오래 전부터 알려져 있던 것으로, 19세기 말 음극선(陰極線) 입자로서 발견되었고, 그후 모든 물질의 구성요소임이 확인되었다. 정지질량은 9.107×10-28g이고, 전하는 -1.602×10-19C=-4.8023×10-10esu를 보이며, 1/2의 스핀 양자수(量子數)를 가진다. 이 밖에 반입자(反粒子)로서 양전하를 가진 전자가 존재하는데, 이것은 음전자(negatron)에 대하여 양전자(positron)라고 한다. 톰슨은 제일 먼저 전자의 존재를 입증한사람으로서 1905년 왕립 연구소 교수, 1918년 케임브리지 트리니티 대학의 학장을 역임하였다. 진공관 방전 현상을 연구하고 1897년 음극선의 입자성을 확인하였으며, 음극선 입자의 비전하를 측정하여 전자의 존재를 확인하였다 톰슨이 1897년 발견한 전자는 원자의 구성 입자들 중에서 가장 처음 발견된 것이다. 전자의 발견은 20세기 원자론의 발전에 결정적으로 중요한 역할을 하였으며, 모든 전자기술의 근본적인 토대가 되었다. 톰슨이 전자를 발견할 때 사용한 음극선관의 원리는 오늘날 텔레비전과 컴퓨터 모니터의 작동 원리와 기본적으로 동일하다. 톰슨의 연구는 크룩스(William Crookes)가 개량한 음극선관으로 하였는데, 크룩스는 1870년대에 이미 음극선이 일종의 입자의 흐름이라고 생각하고 있었다. 톰슨은 전지에 연결한 금속판 두 개를 음극선관 안에 놓고 자기장을 만들어 음극선을 통과시킬 때 음극선이 휘는 것을 관찰했다. 이러한 사실에서 그는 음극선은 광선이 아니라 입자로 이루어졌으며, 음의 전기를 띠고 있다는 결론을 내렸다. 나아가 그는 전하의 속도를 측정한 후, 이 속도로부터 전자의 전하량과 질량비를 도출해낼 수 있는 방법을 찾았다.